Электротехника для начинающих
Понятно желание людей любого возраста постичь такую науку, как электротехника. Помогут в этом основы электротехники для всех начинающих. В интернете и печати публикуется масса материалов, часто под заглавием «Электротехника для чайников». Начинать нужно с усвоения положений и законов электричества.
Понятия и свойства электрического тока
Начальные курсы электрика в первых главах дают определения понятию и свойствам электрического тока, объясняют природу и свойства электроэнергии, законы электричества и их основные формулы. Основываясь на великих открытиях, зарождалась и получила грандиозное развитие такая научная дисциплина, как электротехника. Сущность электричества заключена в направленном перемещении электронов (заряженных частиц). Они переносят электрический заряд в теле металлических проводов.
Важно! Для транзита электрической энергии используют провода, жилы которых сделаны из алюминия или меди. Это самые экономичные проводные металлы. Делать жилы проводов из других материалов дорого, поэтому невыгодно.
Ток бывает постоянного и переменного направления. Постоянное движение энергии всегда осуществляется в одном направлении. Переменный энергетический поток ритмично меняет свою полярность. Скорость, с которой меняется направление движения электронов, называют частотой. Её измеряют в герцах.
Что изучает электротехника
Основа электрики формировалась в XIX веке. Те времена называют эпохой грандиозных открытий основополагающих законов, дающих все представления об электричестве. Электротехника (ЭТ) как наука начинала делать свои первые шаги. Теория стала подкрепляться практикой. Появились первые электротехнические устройства, совершенствовались коммуникационные системы доставки электроэнергии от источника потребителю.
Базой развития электротехники стали достижения в области физики, химии и математики. Новая наука изучала свойства электрического тока, природу электромагнитных излучений и другие процессы. По мере накопления знаний ЭТ становилась наукой прикладного характера.
Современная научная дисциплина изучает устройства, в которых используется электрический ток. На основании исследований создаются новые более совершенные электротехнические установки, приборы и устройства. ЭТ – одна из передовых наук, являющаяся одним из основных двигателей прогресса человеческой цивилизации.
С чего начать изучение основ электротехники
Электротехника для начинающих доступна на многих информационных носителях. Современные средства массовой информации не испытывают дефицита в учебных пособиях по основам электричества. Самоучители по электрике приобретают в сети интернет или книжных магазинах. Уроки электрика новичок может получить в виде бесплатного видеокурса об основах электричества через интернет. Онлайн видео лекции в доступной форме обучают всех желающих основам электричества.
Обратите внимание! Книга, несмотря на доступные видеоресурсы в сети, до сих пор считается самым удобным источником информации. Пользуясь самоучителем по электрике с нуля, не нужно всё время включать ПК. Учебник всегда будет под рукой.
Самоучители служат незаменимыми помощниками для того, чтобы отремонтировать электропроводку, починить выключатель, розетку, установить датчик движения и заменить предохранители в бытовых электроприборах.
Основные характеристики тока
К основным характеристикам относятся сила тока, напряжение, сопротивление и мощность. Параметры электрического тока, протекающего по проводу, характеризуются именно этими величинами.
Сила тока
Параметр означает количество заряда, проходящего по проводу, за определённое время. Силу тока измеряют в амперах.
Напряжение
Это есть не что иное, как разница потенциалов между двумя точками проводника. Величина измеряется в вольтах. Один вольт – эта разность потенциалов, при которой для переноса заряда в 1 кулон потребуется произвести работу, равную одному джоулю.
Сопротивление
Этот параметр измеряется в омах. Его величина определяет сопротивление энергопотоку. Чем больше масса и площадь поперечного сечения проводника, тем больше сопротивление. Оно также зависит от материала и длины провода. При разнице потенциалов на концах проводника в 1 Вольт и силе тока 1 Ампер сопротивление проводника равно 1 Ому.
Мощность
Физическая величина выражает скорость протекания электроэнергии в проводнике. Мощность тока определяется произведением силы тока и напряжения. Единица мощности – ватт.
Закон Ома
Постижение основ электротехники нужно начинать с закона Ома. Именно он является фундаментом всей науки об электричестве. Выдающийся немецкий физик Георг Симон Ом в 1826 году сформулировал закон, в котором определяет взаимозависимость трёх основных параметров электрического тока: силы, напряжения и сопротивления.
Энергия и мощность в электротехнике
Электрика для начинающих даёт разъяснения терминов энергии и мощности. Эти характеристики напрямую связаны с законом Ома. Энергия может перетекать из одной в другую форму. То есть она может быть ядерной, механической, тепловой и электрической.
В динамиках звуковых устройств потенциал электрического тока преобразовывается в энергию звуковых волн. В электродвигателях токовый энергопоток превращается в механическую энергию, которая заставляет вращаться ротор мотора.
Любые электрические устройства потребляют нужное количество электроэнергии в течение определённого временного промежутка. Количество потреблённой энергии в единицу времени является мощностью потребителя электричества. Более подробное толкование мощности можно найти в главах учебного пособия, посвящённых электромеханике для начинающих.
Мощность определяют по формуле:
Измеряется этот параметр в ваттах. Единица измерения мощности Ватт означает, что ток силой в один Ампер перемещается под напряжением 1 Вольт. При этом сопротивление проводника равно 1-му Ому. Такая трактовка характеристики тока наиболее понятна для начинающих постигать основы электричества.
Электротехника и электромеханика
Электрическая механика – это раздел электротехники. Эта научная дисциплина изучает принципиальные схемы оборудования, двигателей и прочих приборов, использующих электрическую энергию.
Пройдя курс электромеханики для начинающих, новички могут самостоятельно научиться ремонтировать бытовые электрические устройства и приборы. Основные законы электромеханики дают возможность понять, как устроен электродвигатель, чем отличается трансформатор от стабилизатора, что такое генератор и многое другое.
Дополнительная информация. Несомненную пользу новичкам принесут учебные пособия и видео курсы по электротехнике и электромеханике. Если есть друзья или знакомые, разбирающиеся в этом деле, то это только поможет быстро освоить азы этих дисциплин.
Безопасность и практика
Основы электротехники для начинающих делают особое ударение на правилах техники безопасности. Их несоблюдение на практике порой может стать причиной получения электротравм и повреждения имущества. Для новичков в электротехнике надо следовать четырём основным требованиям ТБ.
Четыре правила техники безопасности для новичков:
Электрика для чайников
Электроника окружает человека в виде различных устройств и приборов. Современная бытовая техника в большинстве своём управляется с помощью электронных схем. Курсы обучения основам электроники для начинающих нацелены на то, чтобы новичок мог отличать транзистор от резистора и понимать, как и для чего служит та или иная электронная схема.
Учебные пособия и видеокурсы способствуют пониманию принципов построения электронных схем. Что такое печатная плата, как создать схему своими руками – на все эти вопросы отвечают основы электроники для новичков. Усвоив азы электроники, домашний «мастер» сможет определить вышедшую из строя радиодеталь в телевизоре, аудио устройстве и другой бытовой технике и заменить её. Кроме этого, новичок приобретёт опыт работы с паяльником.
Видеокурсы, печатная продукция несут в себе массу информации по освоению основ электротехники, электромеханики и электроники. Приобрести знания в этих сферах можно, не выходя из дома. Просмотреть нужное видео, заказать учебники позволяет доступность сети интернета.
Видео
Электротехника для чайников
Начнем пожалуй с понятия электричества. Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц под действием электрического поля. В качестве частиц могут выступать свободные электроны металла, если ток течет по металлическому проводу, или ионы, если ток течет в газе или жидкости.
Есть ещё ток в полупроводниках, но это отдельная тема для разговора. Как пример можно привести высоковольтный трансформатор из микроволновки – сначала электроны бегут по проводам, затем ионы движутся между проводами, соответственно сначала ток идет через металл, а потом через воздух. Вещество называются проводником или полупроводником, если в нём есть частицы, способные переносить электрический заряд. Если таких частиц нет, то такое вещество называется диэлектриком, оно не проводит электричество. Заряженные частицы несут на себе электрический заряд, который измеряется обозначается q в кулонах.
Единица измерения силы тока называется Ампер и обозначается буковой I, ток величиной в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда величиной 1 Кулон за 1 секунду, то есть грубо говоря сила тока измеряется в кулонах секунду. И по сути сила тока это количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника. Чем больше заряженных частиц бежит по проводу, тем соответственно больше ток.
Чтобы заставить заряженные частицы перемещаться от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Напряжение измеряется в вольтах и обозначается буквой V или U. Чтобы получить напряжение величиной 1 Вольт нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж. Согласен, немного непонятно.
Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под действием силы тяжести вытекает через трубу. Пусть вода – это электрический заряд, высота водяного столба – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток. Точнее не скорость потока, а количество вытекающей за секунду воды. Вы понимаете, что чем выше уровень воды, тем больше будет давление внизу А чем выше давление внизу, тем больше воды вытечет через трубу, потому что скорость будет выше.. Аналогично чем выше напряжение, тем больший ток будет течь в цепи.
Зависимость между всеми тремя рассмотренными величинами в цепи постоянного тока определяет закон ома, который выражается вот такой формулой, и звучит как сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна сопротивлению. Чем больше сопротивление, тем меньше ток, и наоборот.
Добавлю ещё пару слов про сопротивление. Его можно измерить, а можно посчитать. Допустим у нас есть проводник, имеющий известную длину и площадь поперечного сечения. Квадратный, круглый, неважно. Разные вещества имеют разное удельное сопротивление, и для нашего воображаемого проводника существует вот такая формула, определяющая зависимость между длиной, площадью поперечного сечения и удельным сопротивлением.
Удельное сопротивление веществ можно найти в интернете в виде таблиц.
Можно опять же провести аналогию с водой: вода течёт по трубе, пусть труба имеет удельную шершавость. Логично предположить, что чем длиннее и уже труба, тем меньше воды будет по ней протекать за единицу времени. Видите, как всё просто? Формулу даже запоминать не нужно, достаточно представить себе трубу с водой.
Что касается измерения сопротивления, то нужен прибор, омметр. В наше время более популярны универсальные приборы – мультиметры, они измеряют и сопротивление, и ток, и напряжение, и ещё кучу всего. Давайте проведём эксперимент. Я возьму отрезок нихромовой проволоки известной длины и площади сечения, найду удельное сопротивление на сайте где я её купил и посчитаю сопротивление. Теперь этот же кусочек измерю при помощи прибора. Для такого маленького сопротивления мне придется вычесть сопротивление щупов моего прибора, которое равно 0.8 Ом. Вот так вот!
Шкала мультиметра разбита по размерам измеряемых величин, это сделано для более высокой точности измерения. Если я хочу измерить резистор с номиналом 100 кОм, я ставлю рукоятку на большее ближайшее сопротивление. В моём случае это 200 килоом. Если хочу измерить 1 килоом, то ставлю на 2 ком. Это справедливо для измерения остальных величин. То есть на шкале отложены пределы измерения, в который нужно попасть.
Давайте продолжим развлекаться с мультиметром и попробуем измерить остальные изученные величины. Возьму несколько разных источников постоянного тока. Пусть это будет блок питания на 12 вольт, юсб порт и трансформатор, который в своей молодости сделал мой дед. Напряжение на этих источниках мы можем измерить прямо сейчас, подключив вольтметр параллельно, то есть непосредственно к плюсу и к минусу источников. С напряжением всё понятно, его можно взять и измерить. А вот чтобы измерить силу тока, нужно создать электрическую цепь, по которой будет протекать ток. В электрической цепи обязательно должен быть потребитель, или нагрузка. Давайте подключим потребитель к каждому источнику. Кусочек светодиодной ленты, моторчик и резистор на (160 ом).
Давайте измерим ток, протекающий в цепях. Для этого переключаю мультиметр в режим измерения силы тока и переключаю щуп во вход для тока. Амперметр подключается в цепь последовательно измеряемому объекту. Вот схема, её тоже следует помнить и не путать с подключением вольтметра. Кстати существует такая штуковина как токовые клещи. Они позволяют измерять силу тока в цепи без подключения непосредственно к цепи. То есть не нужно отсоединять провода, просто накидываешь их на провод и они измеряют. Ну ладно, вернёмся к нашему обычному амперметру.
Итак, я измерил все токи. Теперь мы знаем, какой ток потребляется в каждой цепи. Здесь у нас светятся светодиоды, здесь крутится моторчик а здесь…. Так стоять, а че делает резистор? Он не поёт нам песни, не освещает комнату и не вращает никакой механизм. Так на что он тратит целых 90 миллиампер? Так не пойдёт, давайте разбираться. Слышь ты! Ау, он горячий! Так вот куда расходуется энергия! А можно ли как-то посчитать, что здесь за энергия? Оказывается – можно. Закон, описывающий тепловое действие электрического тока был открыт в 19 веке двумя учеными, Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцем. Закон назвали закон Джоуля-Ленца. Он выражается вот такой формулой, и численно показывает, сколько джоулей энергии выделяется в проводнике, в котором течёт ток, за единицу времени. Из этого закона можно найти мощность, которая выделяется на этом проводнике, мощность обозначается английской буквой Р и измеряется в ваттах.
Таким образом у меня на столе электрическая мощность идёт на освещение, на совершение механической работы и на нагрев окружающего воздуха. Кстати именно на этом принципе работают различные нагреватели, электрочайники, фены, паяльники и прочее. Там везде стоит тоненькая спираль, которая нагревается под действием тока.
Этот момент стоит учитывать при подведении проводов к нагрузке, то есть прокладка проводки к розеткам по квартире тоже входит в это понятие. Если вы возьмете для подведения к розетке слишком тонкий провод и подключите в эту розетку компьютер, чайник и микроволновку, то провод может нагреться вплоть до возникновения пожара. Поэтому есть вот такая табличка, которая связывает площадь поперечного сечения проводов с максимальной мощностью, которая по этим проводам будет идти. Если вздумаете тянуть провода – не забудьте об этом.
Также в рамках этого выпуска хотелось бы напомнить особенности параллельного и последовательного соединения потребителей тока. При последовательном соединении сила тока одинакова на всех потребителях, напряжение разделилось на части, а общее сопротивление потребителей представляет собой сумму всех сопротивлений. При параллельном соединении напряжение на всех потребителях одинаково, сила тока разделилась, а общее сопротивление вычисляется вот по такой формуле.
Из этого вытекает один очень интересный момент, который можно использовать для измерения силы тока. Допустим нужно измерить силу тока в цепи около 2 ампер. Амперметр с этой задачей не справляется, поэтому можно использовать закон ома в чистом виде. Знаем, что сила тока одинакова при последовательном соединении. Возьмём резистор с очень маленьким сопротивлением и вставим его последовательно нагрузке. Измерим на нём напряжение. Теперь, пользуясь законом ома, найдём силу тока. Как видите, она совпадает с расчётом ленты. Здесь главное помнить, что этот добавочный резистор должен быть как можно меньшего сопротивления, чтобы оказывать минимальное влияние на измерения.
Есть ещё один очень важный момент, о котором нужно знать. Все источники имеют максимальный отдаваемый ток, если этот ток превысить – источник может нагреться, выйти из строя, а в худшем случае ещё и загореться. Самый благоприятный исход это когда источник имеет защиту от перегрузки по току, в таком случае он просто отключит ток. Как мы помним из закона ома, чем меньше сопротивление, тем выше ток. То есть если взять в качестве нагрузки кусок провода, то есть замкнуть источник самого на себя, то сила тока в цепи подскочит до огромных значений, это называется короткое замыкание. Если вы помните начало выпуска, то можете провести аналогию с водой. Если подставить нулевое сопротивление в закон ома то мы получим бесконечно большой ток. На практике такое конечно не происходит, потому что источник имеет внутреннее сопротивление, которое подключено последовательно. Этот закон называется закон ома для полной цепи. Таким образом ток короткого замыкания зависит от величины внутреннего сопротивления источника.
Сейчас давайте вернёмся к максимальному току, который может выдать источник. Как я уже говорил, силу тока в цепи определяет нагрузка. Многие писали мне вк и задавали примерно вот такой вопрос, я его слегка утрирую: Саня, у меня есть блок питания на 12 вольт и 50 ампер. Если я подключу к нему маленький кусочек светодиодной ленты, она не сгорит? Нет, конечно же она не сгорит. 50 ампер – это максимальный ток, который способен выдать источник. Если ты подключишь к нему кусочек ленты, она возьмёт свои ну допустим 100 миллиампер, и все. Ток в цепи будет равен 100 миллиампер, и никто никуда не будет гореть. Другое дело, если возьмёшь километр светодиодной ленты и подключишь его к этому блоку питания, то ток там будет выше допустимого, и блок питания скорее всего перегреется и выйдет из строя. Запомните, именно потребитель определяет величину тока в цепи. Этот блок может выдать максимум 2 ампера, и когда я закорачиваю его на болтик, с болтиком ничего не происходит. А вот блоку питания это не нравится, он работает в экстремальных условиях. А вот если взять источник, способный выдать десятки ампер, такая ситуация не понравится уже болтику.
Давайте для примера произведём расчёт блока питания, который потребуется для питания известного отрезка светодиодной ленты. Итак, закупили мы у китайцев катушку светодиодной ленты и хотим запитать три метра этой самой ленты. Для начала идём на страницу товара и пытаемся найти, сколько ватт потребляет один метр ленты. Эту информацию я найти не смог, поэтому есть вот такая табличка. Смотрим, что у нас за лента. Диоды 5050, 60 штук на метр. И видим, что мощность составляет 14 ватт на метр. Я хочу 3 метра, значит мощность будет 42 ватта. Блок питания желательно брать с запасом на 30% по мощности, чтобы он не работал в критическом режиме. В итоге получаем 55 ватт. Ближайший подходящий блок питания будет на 60 ватт. Из формулы мощности выражаем силу тока и находим её, зная, что светодиоды работают при напряжении 12 вольт. Выходит, нам нужен блок с током 5 ампер. Заходим, например, на али, находим, покупаем.
Очень важно знать потребляемый ток при изготовлении всяких USB самоделок. Максимальный ток, который можно взять от USB, составляет 500 миллиампер, и его лучше не превышать.
И напоследок коротенько о технике безопасности. Здесь вы можете видеть, до каких значений электричество считается неопасным для жизни человека.
Азбука электронщика: увлекательная теория, занимательная практика и полезные решения для начинающих
Я слушаю и забываю,
я вижу и запоминаю,
я делаю и понимаю.
Конфуций
Замечали ли вы, что интерес к электронике, радиотехнике, конструированию радиоэлектронных приборов в последнее время заметно возрос?
Учебные заведения все чаще обращают свой взор в сторону подготовки инженеров в области радиотехники и электроники. Многие специалисты, достигшие определенных успехов в своей профессии, с удовольствием делятся своими знаниями на просторах всемирной паутины. Но есть проблема – отрыв теории от практики. Одно дело знать из школьного курса закон Ома, а совсем другое – спалить транзистор или микросхему, подав неверное напряжение. Как начинающему разобраться, понять причину и навсегда запомнить этот закон и этот примечательный случай?
Понимая это, Мастер Кит начал выпуск серии наборов «Азбука электронщика».
Серия будет состоять из нескольких наборов с повышающимся уровнем сложности, и охватывать весь основной спектр радиоэлектронных компонентов. Цель серии – дать возможность на практике закрепить теоретические знания, полученные в учебных заведениях, понять работу элементов электронных схем, попробовать свои силы в разработке этих схем, пробудить интерес к этой области знаний.
NR03 «Основы схемотехники» — первый из серии наборов «Азбука электронщика», который на практике познакомит с базовыми элементами электроники: резисторами, конденсаторами, диодами и транзисторами. Особенностью набора является применение беспаечной технологии и сборки на макетной плате, что позволяет использовать компоненты многократно. Автономное питание от батареи исключает возможность поражения электрическим током и повреждение компонентов.
Многие из предлагаемых для сборки схем могут иметь практической применение – простейшие охранные сигнализации, детекторы и датчики, таймеры и т.п. Поскольку набор содержит более 100 электронных компонентов, из них можно собрать куда больше устройств, чем описано в обучающем пособии или использовать эти компоненты в собственных конструкциях для постоянного применения.
В красочной брошюре, выполненной в отличном полиграфическом качестве, даны описания компонентов, входящих в состав набора, и немного теории о каждом из них; даны сведения о внешнем виде и маркировке. Электрические схемы нарисованы в соответствии со стандартом и помогают научиться правильно читать их. Для каждой электрической схемы приведена монтажная схема на макетной плате, собрать которую сможет даже самый неискушенный начинающий электронщик.
Рассмотрим, например, простейший индикатор полярности подключаемой к электронной схеме батареи. Из приведенных ниже рисунков, взятых из брошюры, можно убедиться, что электрическая и монтажная схемы легко читаемы и сопоставимы между собой.
В зависимости от полярности батареи будет светиться один из цветных светодиодов – либо зеленый, либо красный, который будет сигнализировать об ошибке подключения источника питания. Чем не практический результат при весьма малых затратах? Не говоря уже о том, что даже в такой нехитрой схеме действуют несколько физических процессов и приборов, которые теоретически рассматриваются на уроках и занятиях по физике: химический источник тока, прохождение тока через проводник, излучение света полупроводником, закон Ома, принцип действия полупроводникового диода. Чем больше юному исследователю захочется углубиться в эти процессы, тем лучше. Тем более, что сейчас не составит труда получить через интернет любую информацию по заинтересовавшему вопросу. А навыки самообразования в процессе такого обучения помогут в любой профессии.
Всего в брошюре рассматривается 15 схем разного уровня сложности: параллельное и последовательное включение резисторов, конденсаторов и светодиодов; заряд и разряд конденсатора в электронной схеме; принцип действия транзистора; соединение компонентов в схеме.
В состав компонентов набора входят светодиоды разного цвета, схема мигалки и простейшего электромузыкального инструмента, которые неизменно привлекают внимание самых маленьких электронщиков. Также особенностью набора является раздел «Проверь свои знания». В этом разделе приведены схемы с ошибками, которые внимательный читатель, собравший все предлагаемые схемы не формально, а с желанием разобраться в их работе, без труда сможет найти и исправить.
В качестве примера приведем схему с неверным значением сопротивления резистора в цепи, ограничивающей ток через светодиод:
Такой пример позволяет на практике понять порядок значения тока через реальный светодиод, приучит внимательно читать электрические схемы и проверять собранные устройства.
Изучив все представленные в наборе схемы, собрав и испытав их на практике, с учетом числа компонентов, входящих в состав набора, можно найти в литературе и всемирной сети еще несколько десятков электронных устройств, собрать их и подробно исследовать.
Набор поставляется в красочно оформленной коробке оригинального дизайна и может служить отличным подарком.
Мы уверены, что новый набор серии «Азбука электронщика» компании Мастер Кит, а также следующие наборы серии, помогут заинтересовать юные умы и, возможно, помочь в выборе несомненно интересной и нужной профессии в сферах радиоэлектроники, микросхемотехники, других инженерных и научных областях знаний. Ведь от малого до великого всего один шаг.